Công nghệ quá độ GPRS với các ứng dụng di động

Phương thức này chỉ thích hợp cho các dịch vụ như: dịch vụ yêu cầu băng thông cố định; các dịch vụ nhạy cảm với trễ truyền dẫn yêu cầu trễ truyền dẫn nhỏ; các dịch vụ thời gian thực… Tóm

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIẢI PHÁP SỐ LIỆU GÓI CHO MẠNG GSM 2

1 MỞ ĐẦU 2

2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN SỐ LIỆU GÓI VÔ TUYẾN 3

3 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG GPRS 7

4 GIAO DIỆN 13

4.1 Ngăn xếp giao thức trong GPRS: 13

4.2 Các kênh logic trong GPRS 18

5 QUẢN LÝ MS TRONG GPRS 23

6 QUẢN LÝ TRUYỀN DẪN TRONG HỆ THỐNG GPRS 32

6.1 Kích hoạt giao thức số liệu 33

6.2 Định tuyến gói tin trong GPRS 36

6.3 Định tuyến gói tin khi trạm MS đang di chuyển 37

6.4 Xử lý lưu lượng tại các nút GSN 38

7 KẾT NỐI GIỮA CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠNG VÀ KẾT NỐi GPRS VỚi MẠNG IP 40

8 KẾT LUẬN 49

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC, ĐƯỜNG HẦM 50

VÀ ĐỐNG GÓI TRONG MOBILE IP 50

1 MỞ ĐẦU 50

2….HAI GIAO THỨC CỦA MOBILE IP 56

3 ĐƯỜNG HẦM NGƯỢC TRONG MOBILE IP 93

Bản tin cập nhật liên kết được gửi đến địa chỉ Anycast của các đại lý gốc

Bản tin xác nhận liên kết bao gồm danh sách đại lý gốc, đồng thời chỉ ra rằng các đại lý gốc này từ chối cập nhật liên kết

4 ĐÓNG GÓI IP-TRONG-IP 99

KẾT LUẬN CHUNG 103

CHƯƠNG 1: GIẢI PHÁP SỐ LIỆU GÓI CHO

MẠNG GSM

1 MỞ ĐẦU

Mạng thông tin di động toàn cầu (GSM - Global System for Mobile) đã cho thấy tính vượt trội so với mạng analog Cùng với mạng PSTN, GSM đã thúc đẩy thị trường viễn thông thế giới phát triển Hơn 20 năm qua, thông tin di động thế hệ 2 (2-G) bắt đầu lộ rõ những hạn chế của nó, nhất là khi dịch vụ truyền số liệu và dịch vụ băng rộng trở thành nhu cầu cấp thiết; ngoài nhược điểm hạn chế phân bố tần số, chuyển vùng phức tạp, chất lượng chưa cao…, còn có hai nhược điểm cơ bản của mạng GSM là chuyển mạch kênh không phù hợp với tốc độ cao khi truyền số liệu và lãng phí tài nguyên do kênh luôn luôn bị chiếm giữ ngay cả khi không có lưu lượng qua

Hiện tại phát triển của Internet rất mạnh và rộng lớn, các mạng viễn thông không chỉ truyền thoại, fax, số liệu mà còn có thêm dịch vụ mới như khả năng truy cập Internet, truyền file, giao dịch thương mại điện tử và Internet di động… được gọi chung là thông tin di động thế hệ thứ 3 (3-G) Đây là xu hướng phát triển tất yếu của thông tin di động

Việc chọn con đường đi từ 2-G lên 3-G phụ thuộc vào cách phân tích và điều kiện của mỗi nước, nhất là điều kiện kinh tế và qui mô của GSM Nhìn chung có hai xu hướng chính: đi thẳng từ 2-G lên 3-G và đi từ 2-G lên 3-G qua một bước công nghệ quá độ

Phương pháp thứ nhất không tận dụng được cơ sở hạ tầng hiện có mà phải xây dựng lại cơ sở hạ tầng mới; còn phương pháp thứ hai là tận dụng tối đa khả năng cơ sở hạ tầng của GSM với việc bổ sung công nghệ mới để đáp ứng cho yêu cầu 3-G - Công nghệ Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS - General Packet Radio Service, tất nhiên với công nghệ này chưa có thể khai thác hết tính ưu việt của 3-G

GPRS là phương pháp mới truyền dữ liệu qua mạng điện thoại di động Trước khi ứng dụng GPRS, phương pháp chính để duyệt web, nhận email trên thiết bị đầu cuối di động là công nghệ WAP (Wireless Application Protocol), dựa trên phương thức truyền kênh CS (Circuit-switched method) – quay số, kết nối mạng và kết thức phiên làm việc Còn GPRS được coi là công nghệ “luôn kết nối” với mạng di động GSM, duyệt web, email và ứng dụng mạng khác nhanh hơn giao thức WAP Cùng với ưu thế về tốc độ cao hơn phương pháp quay số thông thường, dựa vào công nghệ của GPRS, điểm lợi chính cho người dùng là thuê bao không phải trả tiền cho thời gian kết nối mà chỉ phải trả tiền cho dung lượng dữ liệu thực tế mà thuê bao dùng

2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA TRUYỀN SỐ LIỆU GÓI VÔ TUYẾN

- Truyền số liệu theo phương thức kênh (Circuit-Switched):

Trong kỹ thuật truyền số liệu theo phương thức kênh thì mạng cần phải thiết lập một kết nối hay một kênh vô tuyến từ trạm gốc BS tới trạm di động MS Khi đã được thiết lập kết nối, quá trình truyền số liệu sẽ được bắt đầu, MS sẽ sử dụng toàn bộ kênh này suốt thời gian truyền cho dù có thời điểm chỉ có một lượng nhỏ số liệu truyền đi, như vậy người sử dụng phải trả chi phí cho toàn bộ thời gian kết nối

Phương thức này chỉ thích hợp cho các dịch vụ như: dịch vụ yêu cầu băng thông cố định; các dịch vụ nhạy cảm với trễ truyền dẫn (yêu cầu trễ truyền dẫn nhỏ); các dịch vụ thời gian thực… Tóm lại, phương thức này thích hợp cho dịch

vụ thoại, hội nghị truyền hình (Video Conference)…

- Truyền số liệu theo phương thức gói (Packet-Switched):

Khác với phương thức kênh, trong phương thức gói, mạng chỉ truyền thông tin tới thuê bao khi có nhu cầu Phương thức gói cho phép lưu lượng dữ liệu và báo hiệu đi cùng với nhau, các gói định tuyến độc lập nhau Điều này có nghĩa là cùng một kênh vô tuyến có thể sử dụng đồng thời nhiều trạm MS khác nhau Không những thế, một MS có thể sử dụng đồng thời tới 8 khe thời gian vô tuyến Khi MS cần chuyển một gói tin, mạng sẽ chuyển gói này đến khe thời

gian đầu tiên còn trống, và gói tiếp theo sẽ truyền trên khe thời gian khác nếu có thể Do bản chất của thông tin số liệu thường tồn tại dưới dạng cụm nên việc cấp khe thời gian động (không cố định) sẽ giúp việc sử dụng kênh vô tuyến trở nên hiệu quả hơn

Trong trường hợp bản tin lớn, thì được nhỏ thành nhiều gói Khi các gói đến bên nhận, ở đây có nhiệm vụ sắp xếp và nối ghép lại tạo thành bản tin gốc Việc định tuyến các gói tin tới đích được dựa vào các địa chỉ được gửi kèm theo trong mỗi gói

Phương thức gói số liệu phù hợp với các dịch vụ: dữ liệu tập trung dưới dạng cụm, dữ liệu nhạy cảm với các lỗi, dữ liệu không đòi hỏi thời gian thực… Nghĩa là nó đặc biệt phù hợp với các dịch vụ: thư điện tử, nhắn tin, đo lường từ

xa, truy cập web…

Như vậy có hai phương thức chuyển mạch cơ bản và điểm khác nhau ở đây là trong khi chuyển mạch kênh cung cấp một kết nối mở hai chiều trong toàn

bộ thời gian phục vụ thì với chuyển mạch gói chỉ cung cấp kết nối một chiều mỗi khi có nhu cầu truyền gói tin

- Đặc điểm của các dịch vụ hiện đại với mạng GSM:

Hầu hết các dịch vụ hiện tại của mạng GSM như thoại, số liệu, đều sử dụng một kênh lưu lượng TCH (Traffic channel) trên giao diện vô tuyến Những ứng dụng mới lại yêu cầu tốc độ truyền dẫn cao hơn nhiều, nên mạng GSM có các hạn chế như thời gian thiết lập kết nối dài; thuê bao chiếm toàn bộ kênh trong suốt quá trình nối; dịch vụ SMS (Short Message Service) hạn chế độ dài bản tin, tối đa chỉ 160 ký tự; dịch vụ số liệu có tốc độ thấp, tối đa 9,6 kb/s; mạng GSM/PLMN không có khả năng cung cấp trực tiếp dịch vụ Internet, mà phải đóng gói số liệu trên tín hiệu tương tự và truyền trên các kênh dữ liệu số; quản

lý tài nguyên tần số không hiệu quả và tính cước thuê bao phải dùng và trả tiền cho kênh lưu lượng trong suốt quá trình kết nối

- Các đặc trưng của hệ thống GPRS:

Hệ thống GPRS được xây dựng nhằm cung cấp các dịch vụ bổ sung cho

hay một LAN công cộng thông qua việc sử dụng các thiết bị hỗ trợ truyền số liệu theo phương thức gói

Vấn đề mấu chốt của GPRS là sử dụng có hiệu quả tài nguyên vô tuyến nhằm cung cấp dịch vụ một cách linh hoạt Khác cơ bản của GPRS so với GSM

là một kênh chỉ được cấp phát khi cần thiết và được giải phóng ngay sau khi gói tin truyền xong Do điều này nên cho phép một kênh vật lý (khe thời gian) có thể chia sẻ bởi nhiều MS và một MS có thể sử dụng nhiều khe thời gian Với nguyên tắc này thì GPRS đã phá vỡ cấu trúc truyền thống của TDMA trên giao diện vô tuyến Nhờ đó, tốc độ dữ liệu có thể lên tới 171,2 kb/s khi sử dụng tối đa 8 khe thời gian

BTS SGSN GGSN

MS – Trạm di động

Laptop – thuê bao Internet di động

BTS – Base Station Transceiver - Trạm thu phát gốc

SGSN – Serving GPRS Support Node – Nút hỗ trợ GPRS dịch vụ

GGSN - Gateway GPRS Support Node – Nút hỗ trợ GPRS cổng

Hình 1: Mô hình chia sẻ khe thời gian giữa các thuê bao

Hình H.1 cho ví dụ về cách chia sẻ 3 khe thời gian TDMA đồng thời theo

3 thuê bao: 3 thuê bao sử dụng chung một khe thời gian và một thuê bao sử dụng đồng thời cả 3 khe thời gian

Với GSM, thông thường thời gian kết nối mất vài giây, còn với GPRS chỉ

Tốc độ với 8 khe thời gian (kb/s)

- Một số nhận xét:

o Hệ thống GPRS kết nối với mạng khác bằng giao thức Internet (IP) Đây

là một giao thức sử dụng phổ biến trên toàn thế giới, vì vậy GPRS có khả năng kết nối với các hệ thống khác nhau

o Tốc độ bit tăng và hiệu quả truyền dẫn tăng lên nên thuận lợi cho phương pháp tính cước và nó sẽ dần thay thế chuyển mạch kênh bằng các dịch vụ chuyển mạch gói GPRS Hệ thống tính cước chuyển mạch kênh dựa theo thời gian vì khi một kênh bị chiếm thì toàn bộ kênh đó chỉ dành cho 1 thuê bao Trong khi sử dụng Internet thì người sử dụng thường đọc thông tin nhiều hơn là truyền file, nên kênh truyền bị chiếm dụng một cách lãng phí và thuê bao phải trả cước phí tổn không đáng có GPRS cung cấp một cơ chế tính cước hoàn toàn mới, đó là tính cước dựa trên số lượng số liệu truyền dẫn Điều này cho hiệu quả kinh tế với người sử dụng vì họ chỉ trả kinh phí cho những tài nguyên thực sự sử dụng Ngoài ra GPRS sử dụng giao diện mở - đây là giao diện chuẩn nên

có thể dùng các thiết bị do các nhà sản xuất khác nhau cung cấp mà không hề có cản trở

Các giao diện GSM cũng được sử dụng nhưng bổ sung thêm chức năng để

hỗ trợ nút GPRS Các trạm BTS của GSM được bổ sung thêm các giao thức mới

để truyền dữ liệu dưới dạng gói Ngoài ra, một số chức năng như phân bố tài

nguyên khe thời gian và phân bố kênh số liệu gói cũng được thực hiện tại đây

Do vậy, các kênh số liệu gói PDCH (Packet Data Channel) của GPRS được trộn lẫn với kênh lưu lượng TCH của chuyển mạch kênh Trong khi kênh lưu lượng phân bố cho chỉ một người dùng thì kênh số liệu gói lại có thể được chia sẻ đồng thời bởi nhiều thuê bao GPRS khác nhau

Hình H.2 là kiến trúc của hệ thống GPRS trên nền của mạng GSM, trong

đó được lược bỏ một số thành phần và các liên kết thuần GSM

Dưới đây sẽ tìm hiểu cụ thể từng khối chức năng:

o Nút hỗ trợ GPRS dịch vụ - SGSN

Nút hỗ trợ GPRS dịch vụ - SGSN - là một bộ phận không thể thiếu được trong mạng GSM có hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói Nhiệm vụ chính của SGSN là truyền các gói tin IP đi và đến tất cả các MS trong vùng phục vụ của

nó Nó giám sát tất cả các thuê bao nằm trong vùng thuộc quyền Một SGSN thực thi hầu hết các chức năng trong GPRS, giống như một MSC trong GSM, nghĩa là nó phải điều khiển kết nối, huỷ kênh nối GPRS, cập nhật vị trí cho trạm MS… Các thuê bao GPRS có thể được phục vụ bởi bất kỳ SGSN nào tuỳ theo vị trí hiện tại của chúng Nó thực hiện các chức năng chủ yếu sau:

 Quản lý di động: SGSN quản lý MS bởi giao diện giữa MS và mạng Các thủ tục quản lý gồm: liên kết GPRS, cập nhật vùng định

 Quản lý phiên làm việc: thủ tục Quản lý phiên làm việc gồm: kích hoạt, giải kích hoạt, hiệu chỉnh giao thức số liệu gói (PDP), Việc kích hoạt giao thức số liệu gói sẽ thiết lập kênh dữ liệu ảo giữa thiết

bị đầu cuối số liệu với một GGSN thích hợp

 Truyền và định tuyến các gói tin đi và đến các trạm MS trong vùng phục vụ thuộc quyền Các gói tin từ SGSN sẽ được định tuyến tới BSC, qua BTC tới MS

 Bảo mật đường truyền vô tuyến bằng các thủ tục xác thực và mã hoá

 Lựa chọn GGSN thích hợp cho MS dựa trên các thông tin: kiểu giao thức số liệu, gói, tên điểm truy cập (APN) và các tham số cấu hình SGSN sử dụng một máy chủ hệ thống tên miền DNS (Domain Name System) trên mạng đường trục GPRS để tìm ra GGSN phục

vụ cho APN yêu cầu Sau đó SGSN sẽ thiết lập một giao thức đường hầm GTP (GPRS Tunnel Protocol) nối tới GGSN vừa tìm được để thực hiện các công việc xử lý tiếp theo như kết nối tới máy chủ trên mạng số liệu bên ngoài

 Kết nối tới các nút GSM như: MSC, HLR, BSC, SMS-SC…

 Đưa ra các thông tin về cước: SGSN ghi nhận các thông tin về cước

sử dụng tài nguyên vô tuyến của trạm MS Cả SGSN và GGSN đều ghi các thông tin về cước sử dụng tài nguyên mạng của từng trạm

MS

 Thực hiện các chức năng đăng ký định vị tạm trú VLR: SGSN thực hiện tất cả các chức năng (giống như chức năng của VLR trong GSM) cho các dịch vụ chuyển mạch gói di động Nghĩa là SGSN chứa các thông tin hiện thời của thuê bao cũng như các thông tin về thuê bao tạm trú Khi MS chuyển tới vùng phục vụ của SGSN mới, thì SGSN này (đóng vai trò như một VLR) gửi yêu cầu tới bộ đăng

ký định vị thường trú (HLR) của trạm MS đó và yêu cầu HLR gủi các thông tin về trạm MS Các thông tin này được SGSN lưu trữ

trong suốt quá trình thuê bao lưu chuyển trong khu vực của nó có trách nhiệm bảo đảm Khi trạm MS cần truyền số liệu thì SGSN có thể cung cấp ngay các thông tin cần thiết

o Nút hỗ trợ GPRS cổng - GGSN:

Nút hỗ trợ hỗ trợ GPRS cổng - GGSN là một phần không thể thiếu được trong mạng GSM để hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói GGSN có chức năng chủ yếu là giao tiếp với mạng số liệu gói bên ngoài, ví dụ điển hình là các mạng dựa trên giao thức IP Do đó, GGSN phải có các chức năng truy cập mạng Cụ thể là GGSN liên kết với các phần tử mạng ngoài như: các bộ định tuyến, các máy chủ RADIUS (dùng cho mục đích xác thực), các máy chủ phục vụ …nếu quan sát từ bên ngoài vào, thì GGSN hoạt động như một bộ định tuyến cho toàn bộ địa chỉ IP của tất cả các thuê bao được phục vụ bởi mạng GPRS GGSN phải thực hiện định tuyến gói tin đến đúng SGSN và chuyển đổi giao thức giữa mạng GPRS với mạng ngoài Cụ thể GGSN có các chức năng sau:

 Kết nối với mạng IP bên ngoài: GGSN có nhiệm vụ kết nối với các mạng IP bên ngoài thông qua một máy chủ truy cập thường sử dụng một máy chủ RADIUS (hoặc DHCP) để phân bố địa chỉ IP động đến các thuê bao

 Bảo mật IP (IP sec.): đặc trưng bảo mật IP (biện pháp bảo mật ở lớp IP) cho phép truyền dẫn một cách an toàn giữa GGSN với SGSN (giao diện Gn) và giữa GGSN với các máy trạm và các bộ định tuyến bên ngoài (giao diện Gi) Điều này là cần thiết khi mà các thuê bao GPRS muốn kết nối với mạng cộng tác của họ hay các mạng riêng ảo (VPN)

Nó cũng tăng cường tính bảo mật trong việc quản lý MS giữa nút hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói di động (GSN) và hệ thống quản lý IP sec cho phép mã hoá toàn bộ dữ liệu truyền đi trên mạng, chống lại những truy cập trái phép, đảm bảo độ tin cậy, tính toàn vẹn và xác thực nguồn gốc dữ liệu

 Quản lý phiên làm việc: GGSN hỗ trợ các thủ tục quản lý phiên làm việc bao gồm: kích hoạt, giải kích hoạt, hiệu chỉnh giao thức số liệu gói

 Đưa ra các thông tin về cước: GGSN có nhiệm vụ ghi nhận các thông tin về cước liên quan tới việc sử dụng tài nguyên của mạng bên ngoài đối với từng MS Cả GGSN và SGSN đều ghi nhận các thông tin về cước liên quan tới việc sử dụng tài nguyên của bản thân mạng di động

 Chức năng bức tường lửa (firewall): Khi GGSN kết nối với mạng ngoài, nhiều lựa chọn lọc gói được thực thi để chống lại mọi sự tấn công và xâm nhập trái phép Các thông tin được sử dụng để lọc gói gồm: địa chỉ nguồn, địa chỉ đích, giao thức, số hiệu cổng,…

 Chức năng cổng biên BG (Border Gateway): BG hoạt động như một điểm truy cập mạng trong trường hợp kết nối các mạng GPRS với nhau Chức năng này thường được tích hợp trong GGSN và được sử dụng cùng một bộ định tuyến với GGSN Do vây, các giao diện vật lý cũng được dùng chung để truyền số liệu Trong thực tế, để tăng khả năng xử lý, BG và GGSN có thể được đặt trên hai phần tử vật lý riêng biệt

o Hệ thống trạm gốc BSS (Base Station System):

Hệ thống GPRS sử dụng chung tài nguyên với GSM trên giao diện vô tuyến, nghĩa là có thể trộn lẫn các kênh GPRS với kênh chuyển mạch kênh trong cùng một ô (cell) GPRS có thể phân tài nguyên động, xen giữa những khoảng hở trong các phiên làm việc của chuyển mạch kênh, do đó, dải tần được sử dụng hiệu quả hơn nhiều Với GPRS, nhiều người sử dụng có thể cùng chia sẻ một kênh vật lý Các kênh vật lý của GPRS chỉ được phân bố khi cần truyền hoặc nhận gói tin

Hệ thống GPRS tận dụng có hiệu quả cơ sở hạ tầng sẵn có của GSM như GPRS sử dụng BTS và BSC của GSM Như đã chỉ ra ở trên, để có thể truyền

dữ liệu dưới dạng gói phải nâng cấp BTS, BSC, MSC, VLR, HLR… của mạng GSM về phần mềm; riêng BSC phải bổ sung thêm phần cứng, đó là

khối điều khiển PCU (Packet Control Unit) PCU có nhiệm vụ điều khiển các kênh số liệu gói và chia sẻ các kênh vô tuyến giữa GPRS và GSM Dữ liệu chuyển mạch kênh được gửi qua giao diện A tới MSC trong khi dữ liệu gói gửi qua giao diện Gb tới SGSN và mạng đường trục GPRS

o Thiết bị đầu cuối số liệu TE:

Thiết bị đầu cuối số liệu TE về bản chất là một máy tính, thường là máy xách tay, thông qua nó, người sử dụng có thể truy cập và lấy các thông tin từ trên mạng Nó có nhiệm vụ trao đổi các gói tin với mạng Hệ thống GPRS sẽ cung cấp kết nối IP giữa thiết bị đầu cuối số liệu TE với một nhà cung cấp địa chỉ ISP (Internet Service Provider) hay một mạng LAN công cộng

o Đầu cuối di động MT (Mobile Terminal):

Xuất phát từ phía người sử dụng thì đầu cuối di động MT có thể được xem như một modem làm nhiệm vụ kết nối thiết bị đầu cuối với hệ thống GPRS Đầu cuối di động có nhiệm vụ kết nối thiết bị đầu cuối với hệ thống GPRS thông qua giao diện vô tuyến Về bản chất, đầu cuối di động là một máy điện thoại GSM thông thường, tuy nhiên nó được trang bị thêm một số chức năng

để cung cấp dịch vụ chuyển mạch gói di động

Khi thiết bị đầu cuối cần trao đổi số liệu thì đầu cuối di động sẽ phải thiết lập một liên kết với nút SGSN Nhiệm vụ đầu cuối di động phải làm sao cho thiết bị đầu cuối số liệu kết nối được với mạng thông qua giao thức IP mà không nhận biết được sự di động của nó Nghĩa là MT không nhận biết được rằng nó đang di chuyển và địa chỉ IP của nó còn được duy trì chừng nào MT còn liên kết được với GPRS

o Trạm di động MS:

Để hỗ trợ cho dịch vụ số liệu gói, trạm MS sẽ bao gồm một thiết bị đầu cuối di động MT và một thiết bị đầu cuối TE Hai thiết bị này có thể đặt trên hai phần tử vật lý khác biệt Tuy nhiên, cũng có thể là thực thể duy nhất làm nhiệm vụ của cả MT và TE

Các GPRS và GSM phải có khả năng tương tác với nhau và chia sẻ tài

thiết bị đầu cuối ứng với ba chế độ làm việc của trạm MS, được định nghĩa theo 3 nhóm sau:

 Nhóm A: một trạm di động thuộc nhóm A có thể đồng thời sử dụng các kết nối chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, khi đang trong chế độ chuyển mạch gói, cho phép thực hiện cuộc gọi mà không phải ngắt quá trình truyền số liệu

 Nhóm B: Một trạm MS thuộc nhóm B có thể giám sát tất cả các dịch

vụ chuyển mạch kênh và GPRS nhưng tại một thời điểm thì chỉ hỗ trợ cho một loại dịch vụ Trường hợp MS đang trong chế độ truyền gói và đang trao đổi dữ liệu mà có một cuộc gọi của chuyển mạch đến, để nhận cuộc gọi thì MS phải tạm dừng việc trao đổi dữ liệu, khi cuộc gọi kết thúc, quá trình trao đổi dữ liệu lại tiếp tục thực hiện

 Nhóm C: Trạm MS chỉ có thể sử dụng một trong hai loại dịch vụ tại một thời điểm Chế độ này thường được dùng cho MS chỉ hỗ trợ dịch

vụ GPRS mà không hỗ trợ các dịch vụ chuyển mạch kênh

Tuỳ theo yêu cầu mà ta chọn loại dịch vụ

4 GIAO DIỆN

4.1 Ngăn xếp giao thức trong GPRS:

Trong GPRS có hai mặt phẳng giao thức: mặt phẳng giao thức tải tin và mặt phẳng giao thức báo hiệu mặt phẳng giao thức tải tin được dùng để truyền tải dữ liệu người dùng; còn mặt phẳng giao thức báo hiệu được dùng

để truyền các thông tin báo hiệu như: điều khiển luồng, quản lý di động…

LLC – Logical Link Control RLC – Radio Link Control MAC – Media Access Control GSMRF – GSM Radio Control BSSGP – BSS GPRS Control GTP – GPRS Tunnelling Protocol L1, L2 - Lớp 1 và lớp 2 của mô hình OSI

Hình 3: Trình bày ngăn xếp giao thức tại các nút của GPRS

Dưới đây sẽ phân tích chi tiết hơn:

o Mạng đường trục GPRS:

 Giao thức đường hầm GTP: Giao thức đường hầm GTP được sử dụng

để truyền tải dữ liệu của người dùng và thông tin báo hiệu giữa các nút

hỗ trợ dịch vụ (GSN) trên mạng đường trục GPRS GTP được định nghĩa để có thể sử dụng giữa các nút GSN trong cùng một mạng PLMN (giao diện Gn) và giữa các GSN trên các PLMN khác nhau (giao diện Gp) Khi các gói dữ liệu với giao thức PDU từ giao thức lớp mạng (có thể là IP hay X.25) được chuyển xuống, GTP sẽ thực hiện đóng gói các khối dữ liệu này bằng cách thêm vào phần tiêu đề riêng của giao thức GTP, trước khi chuyển qua mạng đường trục GPRS

Ở phía mặt phẳng báo hiệu, GTP cung cấp các chức năng điều khiển

tới từng MS Báo hiệu trong trường hợp này dùng để tạo, sửa và xoá các đường hầm

GTP chỉ được thực thi giữa các nút GSN, không có thực thể nào khác biết được sự tồn tại của GTP Điều này có nghĩa là trong hệ thống GPRS dữ liệu truyền qua GTP hoàn toàn trong suốt đối với trạm MS và

hệ thống BSS

 Giao thức truyền tải UDP/TCP: Giao thức điều khiển truyền (TCP) được sử dụng để truyền tải các đơn vị dữ liệu trong mạng đường trục cho các giao thức kết nối yêu cầu có độ tin cậy cao Khi không có yêu cầu có thể truyền trên giao thức UDP

 Giao thức Internet (IP): giao thức IP ở lớp mạng là giao thức được dùng để định tuyến gói tin trong mạng đường trục GPRS

Như vậy, GTP mạng thông tin IP hoặc X.25 của người dùng truyền tải dưới dạng các các gói tin GTP trong mạng đường trục GPRS Khi truy cập vào mạng IP, do không yêu cầu kết nối có độ tin cậy cao, có thể dùng giao thức UDP Giao thức IP được sử dụng ở lớp mạng để định tuyến các gói tin trong mạng đường trục Các giao thức như Ethernet, ISDN hay ATM đều có thể được sử dụng ở phía dưới lớp IP Tóm lại, trong mạng đường trục chúng ta có thể có một kiến trúc truyền tải như sau: “IP / X.25-over-UDP / TCP-over-IP” Bên cạnh khả năng bảo mật thông tin truyền trên mạng đường trục, việc sử dụng GTP

có hạn chế là do các gói dữ liệu truyền qua đường hầm GTP sẽ được đóng gói với phần tiêu đề GTP/UDP/IP Do vậy, mỗi gói dữ liệu tăng kích thước thêm khoảng 48 bytes, rất đáng kể với ứng dụng thoại dựa trên IP (VoIP) có kích thước gói dữ liệu rẩt nhỏ

o Giao thức hội tụ phụ thuộc mạng con (SNDCP):

Giao thức hội tụ phụ thuộc mạng con (SNDCP) chịu trách nhiệm đóng gói các dữ liệu của giao thức kết nối logic giữa MS và SGSN Để thực hiện nhiệm vụ đó, SNDPC phải thực hiện các chức năng sau:

 Ghép kênh các gói dữ liệu từ một hay nhiều liên kết của lớp mạng trên một kết nối logic thích hợp của lớp LLC Điều này cho phép người dùng có thể sử dụng nhiều giao thức lớp mạng khác nhau hay bổ sung thêm các giao thức mới mà không ảnh hưởng đến các kết nối logic ở lớp dưới

 Nén và giải nén dữ liệu của người dùng và các thông tin dư thừa của phần tiêu đề (ví dụ tiêu đề của giao thức IP)

 Phân đoạn và tái thiết lập các gói dữ liệu có kích thước lớn hơn kích thước khung LLC

o Giao diện vô tuyến (Um):

Trên giao diện giữa MS và bộ điều khiển trạm gốc (BSC), lớp liên kết dữ liệu (Data Link) được chia thành hai lớp con, đó là lớp điều khiển liên kết logic (LLC) và lớp điều khiển liên kết vô tuyến RLC/ điều khiển truy cập thiết bị (MAC) Cụ thể:

 Lớp liên kết logic (LLC): cung cấp liên kết logic có độ tin cậy cao giữa

MS và SGSN Nó thực hiện các chức năng như: điều khiển luồng dựa trên cơ chế cửa sổ trượt (slide-window), phát hiện lỗi, tự động truyền lại ARQ,… LLC cung cấp các dịch vụ cần thiết để duy trì một tuyến dữ liệu được mã hoá bảo mật giữa MS và SGSN Liên kết LLC được duy trì chừng nào MS còn hoạt động trong vùng phục vụ của SGSN này Thêm vào đó, LLC được thiết kế để không phụ thuộc vào các giao thức

vô tuyến ở phía dưới, cho phép đưa ra những lựa chọn về giải pháp vô tuyến của GPRS trong các phiên bản sau Để có liên kết tin cậy và được bảo mật, LLC hỗ trợ:

 Các thủ tục để truyền tải các đơn vị dữ liệu LLC giữa MS và SGSN, trong cả hai chế độ có xác thực và không xác thực

 Các thủ tục điều khiển luồng và mã hoá bảo mật cho các đơn

vị dữ liệu giữa MS và SGSN

Chú ý: việc truyền dẫn trên LLC chỉ được thực thi giữa MS

và SGSN và hoàn toàn trong suốt đối với hệ thống trạm gốc (BSS)

 Lớp điều khiển vô tuyến RLC và điều khiển truy cập thiết bị MAC (RLC/MAC): cung cấp các dịch vụ truyền tải dữ liệu qua liên kết vô tuyến RLC/MAC có các thủ tục cho phép nhiều MS có thể đồng thời chia sẻ các phương tiện truyền dẫn chung, trong đó bao gồm cả các kênh vô tuyến Lớp này thực hiện hai chức năng:

 Chức năng điều khiển việc truy cập thiết bị (MAC): điều khiển các thủ tục truy cập kênh vô tuyến, được chia sẻ bởi nhiều MS, và ánh xạ các khung LLC lên các kênh vật lý GSM (GSM-RF) Cả LLC và MAC đều hỗ trợ đồng thời hai chế độ truyền tải có xác thực và không có xác thực

 Lớp vật lý vô tuyến (GSM-RF): cung cấp các dịch vụ cho việc truyền tải dữ liệu trên các kênh vô tuyến GSM-RF thực hiện các chức năng như lập các khung truyền dẫn, mã hóa dữ liệu phát hiện và sửa lỗi bit… Đường truyền vô tuyến trong GPRS sử dụng các cơ chế và sửa lỗi trước FEC (Forward Error Correction) khác nhau, tạo thành bốn tốc độ khác nhau Tốc độ thấp nhất 9,05 kb/s (CS-1) có tỉ lệ lỗi bít thấp nhất, do

đó ít phải truyền lại Tốc độ cao nhất 21,4 kb/s (CS-4) không

có cơ chế kiểm tra lỗi mà dành việc kiểm tra lỗi cho các lớp phía trên như TCP/IP

o Giao diện giữa BSS-SGSN:

 Kiến trúc giao thức nằm giữa BSS-SGSN dựa trên kỹ thuật chuyển tiếp khung (Frame Relay) và sử dụng kênh ảo (Virtual Channel) để cho phép dữ liệu có thể được ghép từ nhiều trạm MS khác nhau

 Giao thức BSSGP: được sử dụng để phân phối thông tin liên quan đến định tuyến và chất lượng dịch vụ giữa hệ thống trạm gốc và SGSN BSSGP thực hiện việc đăng ký luồng đối với các khung LLC theo

hướng xuống từ SGSN tới BSS để bảo đảm rằng các bộ đệm trên BSC luôn có một số lượng nhất định các khung LLC sẵn sàng để được truyền qua kênh vô tuyến

4.2 Các kênh logic trong GPRS

Hệ thống GPRS sử dụng các kênh vô tuyến logic mới, gọi là kênh số liệu gói (PDCH) Các kênh này được thiết kế tối ưu cho các dịch vụ chuyển mạch gói

Tạo các kênh PDCH có thể bằng nhiều cách khác nhau và có thể sử dụng như những kênh cố định, nghĩa là được cấp riêng tấn số vô tuyến và các tài nguyên khác cho kênh một cách liên tục Ngoài ra PDCH còn có thể sử dụng như các kênh tạm thời, khi có yêu cầu thì hệ thống mới cấp tần số vô tuyến cũng như các tài nguyên khác cho kênh

Không giống nhu trong GSM, trong GPRS thì một MS có thể cùng một lúc sử dụng nhiều khe thời gian trên cùng một khung TDMA Điều này cho phép thay đổi tốc độ truyền dữ liệu một cách mềm dẻo và hiệu quả hơn Hơn thế, các kênh tuyến lên và xuống phân phối độc lập nhau trong hệ thống GPRS nên rất thích hợp cho các dịch vụ sử dụng kênh truyền không đối xứng, ví dụ dịch vụ truy cập web…

Trong hệ thống GSM truyền thống, khi cuộc gọi được thiết lập, thì toàn bộ kênh lên và xuống bị chiếm dụng hoàn toàn trong suốt thời gian đàm thoại cho dù không có dữ liệu trên đường truyền Trong hệ thống GPRS, các kênh truyền chỉ được cấp phát khi người dùng thực sự có nhu cầu truyền hoặc nhận thông tin và được giải phóng ngay khi thông tin truyền xong Do vây, hiệu suất sử dụng kênh cao hơn hẳn, đặc biệt với ứng dụng dữ liệu thường xuất hiện dưới dạng cụm Với nguyên tắc này, cho phép cùng chia sẻ một kênh vật

lý

Ở lớp trên của kênh vật lý là các kênh logic, được định nghĩa để thực hiện

thống, đồng bộ, cấp kênh, tìm gọi và tải tin Kênh logic là sự phân loại thông tin truyền trên giao diện vô tuyến Các kênh logic được ấn định ở những kênh vật lý nhất định và trong những khoảng thời gian nhất định của quá trình trao đổi thông tin

Kênh lưu lượng số liệu gói PDTCH Kênh lưu lượng số liệu gói MS <-> BSS Kênh điều khiển quảng bá gói PBCCH Kênh điều khiển quảng bá MS <- BSS Kênh điều khiển

chung gói (PCCCH)

PRACH Kênh truy nhập ngẫu nhiên MS <- BSS PAGCH Kênh chấp nhận truy nhập MS -> BSS PPCH Kênh tìm gọi MS <- BSS PNCH Kênh thông báo gói MS <- BSS Kênh điều khiển

dành riêng gói (PDCCH)

PACCH Kênh điều khiển liên kết MS <- BSS PTCCH Điều khiển sự sớm định thời MS <-> BSS

Bảng 2: Các kênh logic trong GPRS

Cũng giống như trong GSM truyền thống, các kênh này được chia ra hai nhóm: các kênh lưu lượng và các kênh báo hiệu (kênh điều khiển)

o Kênh lưu lượng số liệu gói (PDTCH):

Được sử dụng để truyền các gói tin của người dùng Kênh này có thể được phân phát cho một hay nhiều MS (trường hợp truyền point-to-multipoint) Mỗi trạm MS có thể cùng một lúc dùng nhiều kênh PDTCH

o Kênh điều khiển quảng bá (PBCCH):

Là kênh một chiều, truyền tín hiệu báo hiệu theo phương thức điểm-đa điểm (point-to-multipoint) từ BSS tới các MS Các thông tin truyền trên kênh này giúp MS biết được cấu trúc cụ thể của mạng GPRS Ngoài ra, PBCCH còn phát quảng bá các thông tin hệ thống cho các dịch vụ chuyển mạch kênh (GSM) Nhờ vậy mà một MS của GSM, nếu được hỗ trợ dịch vụ GPRS, có thể không cần thu tín hiệu trên kênh BCCH

o Kênh điều khiển chung gói (PCCCH):

Là kênh một chiều, truyền tín hiệu báo hiệu theo phương thức điểm-đa điểm, phục vụ cho quản lý truy cập mạng như: phân bố tài nguyên vô tuyến

và tìm gọi Kênh này bao gồm các kênh con như:

 Kênh truy cập ngẫu nhiên gói (PRACH): Trạm MS sử dụng kênh này

để yêu cầu cấp phát một hay nhiều kênh PDCH

 Kênh chấp nhận truy cập gọi (PAGCH): được hệ thống trạm gốc BSS

sử dụng để phân bố một hay nhiều kênh PDCH cho một trạm MS

 Kênh tìm gọi (PDCH): hệ thống trạm gốc BSS sử dụng kênh này để tìm ra vị trí của MS trước khi quá trình truyền gói tin theo hướng xuống được thực hiện

 Kênh thông báo gói (PNCH): được sử dụng để thông báo cho trạm MS chuẩn bị nhận các bản tin PTM

 Chú ý: kênh điều khiển dành riêng là kênh hai chiều, truyền tín hiệu báo hiệu theo phương thức điểm-điểm Kênh này gồm các kênh con:

 Kênh điều khiển liên kết (PACCH): luôn kèm theo với một hay nhiều kênh PDTCH được phân bố cho một trạm MS Kênh này

có nhiệm vụ truyền các thông tin báo hiệu riêng cho từng trạm

MS, ví dụ, thông tin điều khiển công suất

 Kênh điều khiển sớm định thời (PTCCH): sử dụng cho việc đồng

bộ khung

Việc phối hợp giữa các kênh logic của chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói là rất quan trọng Nếu trong một ô nào đó không có kênh PCCH, thì MS có thể chỉ sử dụng kênh CCCH của hệ thống GSM truyền thống để khởi tạo quá trình truyền số liệu Không những thế, nếu trong ô không có

cả kênh PBCCH thì MS vẫn có thể nhận được các thông tin cần thiết về cấu hình mạng vô tuyến bằng cách thu tín hiệu trên kênh BCCH

Hình H.4 mô tả các bước phân bố kênh cho tuyến lên với MS truyền số liệu

MS BSS

Hình 4: Phân bố kênh tuyến lên của GPRS

MS yêu cầu cấp tài nguyên vô tuyến dành cho việc truyền số liệu bằng cách gửi đi một bản tin “yêu cầu chiếm kênh” trên kênh PRACH hoặc RACH Nếu yêu cầu chiếm kênh được chấp nhận, hệ thống BSS sẽ trả lời trên kênh PAGCH hoặc AGCH tương ứng Thông tin trả lời cho phép MS biết mã số của kênh PDTCH mà nó được phép sử dụng Để nhận biết được kênh thuộc tuyến lên còn rỗi hay không, người ta sử dụng một cờ trạng thái USF (Uplink State Flag) Cờ này được truyền trên các kênh tuyến xuống

Hình H.5 mô tả các bước của thủ tục tìm gọi một trạm MS với trạm

MS nhận số liệu

Hình 5: Thủ tục tìm gọi (trạm MS nhận số liệu) của GPRS

PRACH or RACH

Yêu cầu chiếm kênh

Cấp phát kênh hướng lên PAGCH or

AGCH PAACH PAACH

Yêu cầu sử dụng tài nguyên

Cấp phát tài nguyên hướng lên

PRACH or RACH

Yêu cầu chiếm kênh

Cấp phát kênh hướng lên PAGCH or

AGCH PAACH PAACH

Yêu cầu sử dụng tài nguyên

Cấp phát tài nguyên hướng lên

Việc sắp xếp các kênh logic lên kênh vật lý gồm hai giai đoạn: sắp xếp theo tần số và theo thời gian

Sắp xếp theo tần số được dựa trên số hiệu của khung TDMA và các tấn

số mà hệ thống BTS được cấp

Sắp xếp theo thời gian được dựa trên qui định về cấu trúc đa khung của các khung TDMA Mỗi đa khung gồm 52 khung TDMA như trên H.6

T – khung TDMA dự trữ cho kênh PTCCH, hướng xuống

X – khung TDMA rỗi

Hình 6: Cấu trúc đa khung gồm 52 khung TDMA

Bốn khung TDMA liên tiếp tạo thành một khối Có tất cả 12 khối được

ký hiệu từ B0-B11; hai khung TDMA dự trữ để sử dụng cho kênh PTCCH

T - hướng xuống, và hai khung TDMA còn lại là các khung rỗi X

Trạm MS sử dụng khoảng rỗi để thực hiện các phép đo như: cường độ tại các ô lân cận Cần lưu ý rằng, các kết quả đo mà MS thực hiện sẽ không được gửi đến BSS, bởi trong GPRS, thì MS là đối tượng quyết định việc chuyển kênh

Việc sắp xếp các kênh logic vào các khe từ B0-B11 của đa khung có thể thay đổi từ khối này sang khối khác và quá trình sắp xếp này được điều khiển bởi các tham số trên kênh PBCCH

5 QUẢN LÝ MS TRONG GPRS

Quản lý MS nhằm mục đích mà qua đó mạng di động có thể xác định được chính xác vị trí hiện thời của từng thuê bao Nhờ có quản lý MS mà các thuê bao MS có khả năng:

 Di chuyển giữa các ô trong mạng

 Di chuyển giữa các vùng định tuyến trong mạng

 Di chuyển giữa các vùng PLMN trong mạng

Các thủ tục quản lý MS bao gồm thủ tục liên kết GPRS và thủ tục quản lý

vị trí như: cập nhật ô, cập nhật vùng định tuyến (RA) và cập nhật RA và LA kết hợp

o Vùng phục vụ của SGSN:

Trong GSM, một mạng được chia thành nhiều vùng phục vụ MSC/VLR khác nhau Mỗi vùng phục vụ gồm nhiều vùng định vị (LA), trong đó bao gồm một số ô Trong GPRS, một nhóm các ô tạo thành một vùng định tuyến (RA) Mỗi nút SGN kiểm soát một vùng phục vụ được tạo thành bởi một số vùng định tuyến

Chú ý rằng, không có một sự ánh xạ tương ứng nào giữa vùng phục vụ SGN và vùng phục vụ MSC/VLR Tuy vậy, một vùng định tuyến thường là một tập con của vùng định vị Điều này cho phép báo hiệu và các bản tin tìm gọi được diễn ra trên một vùng địa lý nhỏ hơn, do đó sẽ giảm được tải trên mạng và sử dụng tối ưu hơn các tài nguyên vô tuyến

 Trạng thái rỗi: trạm MS vẫn bật nguồn nhưng không liên kết với GPRS Do đó, mạng không biết chính xác vị trí của MS Trạm MS chỉ

có thể nhận được thông tin quảng bá mà mạng gửi tới trong một khu vực địa lý xác định

 Trạng thái sẵn sàng: là trạng thái mà trong đó quá trình truyền tải dữ liệu đang diễn ra hoặc vừa kết thúc Trạm MS thường xuyên thông báo cho SGSN mỗi khi nó chuyển sang một ô mới Do vậy, mạng không

cần phải gửi các bản tin tìm gọi tới MS mỗi khi muốn trao đổi dữ liệu Trong trạng thái sẵn sàng, một bộ định thời được sử dụng để cho phép trạm MS duy trì trạng thái này trong bao lâu sau khi hoàn thành việc trao đổi dữ liệu Khi khoảng thời gian được qui định bởi bộ định thời kết thúc, MS tự động chuyển sang trạng thái dự phòng Việc sử dụng

bộ định thời nhằm đảm bảo rằng, các tài nguyên không bị lãng phí khi

MS không làm việc

 Trạng thái dự phòng: khi MS (đã liên kết với mạng GPRS) không còn nhu cầu trao đổi dữ liệu thì MS được chuyển sang hoạt động ở trạng thái dự phòng Ở trạng thái này, mạng vẫn thực hiện đầy đủ các thủ tục cập nhật vùng định vị mới khi MS chuyển sang một vùng định vị khác

MS có thể trở về trạng thái sẵn sàng bằng cách gửi dữ liệu hoặc báo hiệu tới SGSN Ngay cả khi dữ liệu được gửi đến MS hay khi SGSN trả lời bản tin gọi tới MS thì việc trả lời bản tin tìm gọi này cũng đưa trạm MS trở về trạng thái sẵn sàng MS (hoặc mạng) có thể yêu cầu huỷ liên kết với GPRS để trở về trạng thái rỗi Tại SGSN có sử dụng một bộ định thời để kiểm soát trạng thái của MS Khi bộ đinh thời kết thúc, MS sẽ được yêu cầu huỷ liên kết GPRS và trở về trạng thái rỗi Nhờ có các trạng thái khác nhau cùng với cơ chế MS tự quyết định việc chuyển giao, nên MS không phải thường xuyên cập nhật trạng thái hay liên tục gửi bản tin thông báo về cường độ trường như trong GSM Điều này giảm bớt lượng dữ liệu lưu thông trên mạng, đồng thời có thể tiết kiệm được công suất và kéo dài thời gian sử dụng nguồn pin

Dành riêng Rỗi

Liên kết/

huỷ liên kết GPRS

Huỷ liên kết GPRS/Bộ định thời kết thúc

và được sử dụng cho những lần trao đổi các bản tin tiếp theo giữa MS và SGSN Định danh này chỉ thay đổi nếu MS được thực hiện tại thủ tục liên kết GPRS hoặc khi MS đi vào vùng phục vụ của một SGSN khác

 Bước 1: MS gửi bản tin yêu cầu kết nối tới SGSN

 Bước 2: Nếu SGSN không nhận ra MS, nó có thể hỏi SGSN trước đó đã phục vụ MS để nhận ra thông tin về số thuê bao di động quốc tế (IMSI) và bộ ba mã xác thực Thông tin về SGSN trước được trạm MS gửi kèm trong yêu cầu liên kết

 Bước 3: Nếu SGSN trước không nhận ra MS, nó sẽ gửi một thông báo lỗi tới SGSN mới Khi đó SGSN mới sẽ hỏi trạm MS

1, 3, 4, 7

6

2

 Bước 4: SGSN thực hiện thủ tục xác thực MS

 Bước 5: Cập nhật các thông tin về thuê bao trong bộ đăng ký định vị thường trú (trường hợp MS chuyển sang vùng phục vụ của một SGSN mới)

 Bước 6: SGSN gửi thông tin cho MSC/VLR nếu trạm MS chuyển sang một vùng định vị mới

 Bước 7: SGSN đồng ý kết nối và thiết lập một tuyến logic giữa

MS và SGSN; đồng thời nó thông báo cho MS biết số định danh (TLLI) của tuyến logic này

Nhờ có thủ tục kết nối MS vào mạng mà có thể nhận biết được sự tồn tại của trạm này Nếu hệ thống không lưu trữ được đầy đủ các thông tin về sự di chuyển của thuê bao trong mạng thì bắt buộc phải thực hiện các thủ tục xác thực Sau khi thực hiện xong thủ tục liên kết GPRS, thì MS chuyển sang trạng thái sẵn sàng, chuẩn bị cho thủ tục trao đổi thông tin Muốn trao đổi với mạng số liệu bên ngoài, MS phải kích hoạt giao thức truyền số liệu gói

o Các thủ tục quản lý vị trí MS

Trong GPRS, có hai thủ tục cập nhật vị trí của MS khi nó di chuyển vào một ô mới, cụ thể:

 Cập nhật ô: Trạm MS thông báo cho mạng về vị trí hiện thời của nó

 Cập nhật vùng định tuyến (RA) được chia thành hai dạng:

 Cập nhật vùng định tuyến trong một vùng phục vụ SGSN: là thủ tục được thực hiện khi MS thay đổi RA và tiếp tục được phục

vụ bởi cùng SGSN

 Cập nhật vùng định tuyến giữa các vùng phục vụ SGSN: là thủ tục được thực hiện khi MS đi vào RA mới được quản lý bởi SGSN khác Nói một cách khác, là MS thay đổi vùng phục vụ SGSN

Ngoài ra, nếu MS thay đổi RA đồng thời thay đổi định vị LA thì có thể thực hiện thủ tục cập nhật RA và LA kết hợp

Khi đã có sự thoả thuận về chuyển vùng giữa các nhà khai thác mạng, một trạm MS có thể di chuyển vào mạng của một nhà khai thác PLMN khác và yêu cầu thực hiện thủ tục cập nhật RA Nếu không, nó buộc phải chuyển sang trạng thái rỗi Điều này thường xảy ra trong giai đoạn đầu khi hệ thống GPRS mới được triển khai

cập nhật ô cập nhật RA giữa các vùng phục vụ SGSN

cập nhật RA trong một vùng phục vụ SGSN

Hình 9: Các thủ tục quản lý MS trong GPRS

Nhờ thủ tục quản lý MS mà một nhà cung cấp dịch vụ GPRS này có thể hoạt động trong mạng của một nhà cung cấp dịch vụ khác Các thông tin về việc một MS có thể được phép hoạt động trong mạng PLMN khác hay không được lưu trữ trong bộ đăng ký định vị thường trú Ngoài ra, các thông tin về định tuyến của MS luôn được lưu trữ tại GGSN trong suốt quá trình di động Trong khi di chuyển, MS luôn luôn thu tín hiệu từ nhiều trạm BTS khác nhau MS liên tục đo cường độ tín hiệu từ các trạm này và khi mức tín hiệu của kênh nào lớn hơn mức tín hiệu của kênh hiện tại vượt quá trị cho trước thì MS thực hiện chuyển kết nối sang kênh đó để hoạt động Trong các hệ

thống GSM, trạm MS chỉ có nhiệm vụ đo mức tín hiệu, sau đó gửi kết quả về

hệ thống BSS Tại đây, BSS thực hiện các thao tác còn lại Ngược lại, trong

hệ thống di động GPRS, MS lại tự thiết bị quyết định việc chuyển mạch kênh Trạm MS phát hiện ra nó đi vào một ô mới hay một RA mới bằng cách thu định kỳ trên các kênh điều khiển để nhận thông tin quảng bá chung như: định danh ô, định danh vùng định vị

Các

trạng thái

Thủ tục cập nhật ô

Cập nhật RA trong một vùng phục vụ SGSN

Cập nhật RA giữa các vùng phục vụ SGSN

Có, nếu ô mới thuộc về một

ra mới trong cùng một vùng phục vụ SGSN mới Sẵn sàng Có, nếu ô mới thuộc

về cùng một RA

Có, nếu ô mới thuộc về một ra mới trong cùng một vùng phục vụ SGSN

Có, nếu ô mới thuộc về một

ra mới trong cùng một vùng phục vụ SGSN mới

Bảng 3: Các trạng thái hiện thời của MS trong việc quản lý vị trí

Một trạm MS ở trạng thái rỗi không thể thực hiện bất kỳ cập nhật nào Một MS ở trạng thái dự phòng chỉ có thể thực hiện cập nhật RA, nhưng không thể thông báo việc nó di chuyển sang một ô mới cho SGSN biết Nghĩa

là mạng vẫn thực hiện việc tìm gọi do không biết chính xác vị trí của MS Với MS ở trạng thái sẵn sàng, SGSN cần phải được thông báo mỗi khi MS chuyển sang ô mới Điều này có thể thực hiện theo hai cách sau: Khi MS chuyển sang ô mới trên cùng một RA, thì thủ tục cập nhật ô được thực hiện Ngược lại nếu ô mà MS chuyển tới thuộc về một RA mới thì thủ tục cập nhật

RA được thực hiện:

 Cập nhật ô:

Thủ tục cập nhật ô được thực hiện khi MS chuyển sang ô mới trong cùng một vùng RA và MS đang ở trạng thái sẵn sàng

Trật tự thực hiện như sau: đầu tiên, MS khởi tạo thủ tục cập nhật ô bằng cách gửi đi một khung LLC bất kỳ, có chứa định danh của nó, tới SGSN Trên đường đi tới SGSN, bộ điều khiển BSC sẽ bổ sung thêm trường định danh ô (CGI) - bao gồm mã vùng định tuyến (RAC) và mã vùng định vị (LAC) – vào khung BSSGP Định danh này sẽ được SGSN

sử dụng để quyết định việc MS có chuyển sang ô mới hoặc RA hay không SGSN ghi nhận sự thay đổi ô của MS và kể từ lúc này, các gói tin được gửi đến MS sẽ được SGSN chuyển trực tiếp đến ô mới

 Cập nhật vùng định tuyến RA:

Thủ tục cập nhật vùng định tuyến RA được thực hiện khi một MS (đã liên kết GPRS) phát hiện ra nó đi vào một RA mới hoặc khi bộ định thời cập nhật RA theo định kỳ (đặt trên MS) đã đếm xong

Các thủ tục cập nhật RA trong và giữa các vùng phục vụ SGSN là hoàn toàn trong suốt khi nhìn từ phía MS, và các yêu cầu cập nhật là như nhau Trái lại, SGSN phải có khả năng phát hiện một MS mới vào vùng phục vụ hoặc đang phục vụ nhưng được chuyển đến một RA mới Khi MS di chuyển vào một RA mới, thì MS sẽ gửi yêu cầu cập nhật RA, cùng với định danh của RA trước đó (trường Old RAI), tới SGSN Dựa vào tham số này, SGSN có thể xác định được RA trước đó có nằm trong vùng phục vụ của nó hay không Nếu nằm trong vùng phục vụ, thì SGSN sẽ thực hiện thủ tục cập nhật RA trong vùng phục vụ của SGSN, và không cần thông báo cho GGSN và HLR về vị trí mới của MS Nếu RA trước đó nằm ngoài phạm vi phục vụ của SGSN, nghĩa là trước đó trạm MS được phục vụ bởi một SGSN khác thì thủ tục cập nhật RA giữa các vùng phục vụ SGSN được thực hiện

RA-1 RA-2 Hình 10: Thủ tục cập nhật RA giữa các vùng phục vụ SGSN

Với việc đã bỏ qua một số tín hiệu cần trao đổi như các bản tin xác thực (ACK) và các chi tiết liên quan đến chức năng bảo mật mà SGSN có thể yêu cầu để xác thực MS SGSN mới sẽ chịu trách nhiệm thông báo với các nút GGSN và HLR, nơi MS đăng ký, về vị trí mới của trạm MS Cuối cùng, HLR phải cung cấp các thông tin về thuê bao tới SGSN mới

Để đảm bảo mạng luôn nhận được các thông tin mới nhất về vị trí của các trạm MS, trên MS có một bộ định thời để kiểm soát thủ tục cập nhật

RA theo định kỳ Chu kỳ của thủ tục cập nhật được gửi đến từ mạng trong bản tin “đồng ý cập nhật RA” hoặc bản tin “đồng ý kết nối với GPRS” và không thay đổi chừng nào MS còn nằm trong RA đó

SGSN (out)

(6)Các thông

tin về MS

(2)Lấy ngữ cảnh của MS (3)Gửi ngữ cảnh của MS (7) Đồng ý cập nhật RA (1) Yêu cầu cập nhật RA

đồng thời cùng đi vào LA mới hoặc khi MS (đã làm liên kết với mạng GPRS) thực hiện liên kết IMSI

TE MT

Mobile Stations

Hình 11: Thủ tục cập nhật RA, LA kết hợp

Thủ tục cập nhật RA, LA kết hợp qua năm bước như sau:

 Bước 1: Thủ tục khởi tạo bằng bản tin “yêu cầu cập nhật RA”, trong đó chỉ rõ cần phải thực hiện cập nhật cả RA tới SGSN

 Bước 2: Khi nhận được yêu cầu, SGSN sẽ chuyển một bản tin cập nhật LA tới MSC/VLR SGSN lấy số địa chỉ của MSC từ liên kết SGSN-MSC/VLR Nếu liên kết này chưa được thiết lập, SGSN sẽ tìm ra địa chỉ này từ RAI thông qua một bảng ánh xạ trong SGSN

Ở phía bên kia, MSC sẽ tạo mới hoặc cập nhật liên kết với SGSN bằng cách lưu địa chỉ của SGSN

 Bước 3: Nếu dữ liệu về thuê bao trong VLR được đánh dấu là

“chưa được kiểm tra”, nghĩa là trạm MS đã đi vào vùng phục vụ MSC/VLR mới, thì VLR mới sẽ thông báo việc MS chuyển vùng cho HLR HLR sẽ huỷ bỏ mọi dữ liệu trong VLR cũ và sẽ chuyển dữ liệu mới về MS lên VLR mới

 Bước 4: VLR mới tạo ra một số gọi là số thuê bao MS tạm thời (TMSI) mới để gán cho thuê bao - trường hợp MS thay đổi vùng phục vụ MSC/VLR, đồng thời đáp lại bằng bản tin đồng ý cập nhật LA

 Bước 5: SGSN cũng thực hiện thủ tục cập nhật RA như đã đề cập ở phần trên Cuối cùng SGSN trả lời bằng bản tin đồng ý cập nhật RA

6 QUẢN LÝ TRUYỀN DẪN TRONG HỆ THỐNG GPRS

Để MS có thể sử dụng được dịch vụ số liệu thông qua hệ thống GPRS cần phải thực hiện một số thủ tục truy cập vào mạng số liệu gói (PDN) và định tuyến các gói tin

Khi MS đã kết nối với mạng, nó có thể yêu cầu kích hoạt giao thức số liệu gói theo những mạng số liệu mà nó cần truy cập tới Nói một cách khác, MS

đề nghị SGSN tạo các đường dẫn (hay đường hầm định tuyến) tới mạng số liệu bên ngoài Thủ tục kích hoạt số liệu gói có thể được yêu cầu bởi MS hoặc cũng có thể được yêu cầu bởi một mạng số liệu ngoài Khi giao thức số liệu gói (PDP) được kích hoạt thì một ngữ cảnh (context) hay một phiên làm việc được tạo ra Ngữ cảnh này chứa các tham số cần thiết cho việc truyền tải gói tin giữa MS và mạng số liệu bên ngoài thông qua một GGSN Mỗi ngữ cảnh

cụ thể sẽ có một bộ tham số, bao gồm các tham số chất lượng dịch vụ và các thông tin liên quan đến việc định tuyến như : địa chỉ IP của MS Mỗi MS trong GPRS phải có ít nhất một địa chỉ của giao thức số liệu gói (thường là địa chỉ IP)

6.1 Kích hoạt giao thức số liệu

Sau khi liên kết với hệ thống GPRS, để có thể gửi và nhận dữ liệu, MS phải thực hiện thủ tục kích hoạt giao thức số liệu gói Việc kích hoạt giao thức này giúp cho GGSN biết được sự tồn tại của MS và nó có thể trao đổi

thông tin với các mạng bên ngoài Nếu xét từ góc độ người sử dụng, việc kích hoạt giao thức này tương ứng với việc đăng ký nhập (log-in) vào mạng số liệu ngoài, có thể là một ISP hay một mạng LAN công cộng

  

TE MT

Mobile Stations

Hình 12: Thủ tục kích hoạt giao thức số liệu gói

Các bước của thủ tục kích hoạt giao thức số liệu gói:

 Bước 1: MS trực tiếp gửi yêu cầu kích hoạt giao thức số liệu gói tới SGSN

 Bước 2: Trong quá trình trao đổi thông tin giữa MS và SGSN, để đảm bảo tính an toàn của dữ liệu, các chức năng mã hoá bảo mật có thể được thực thi

 Bước 3: Ngay sau khi nhận được yêu cầu kích hoạt giao thức số liệu gói từ MS, SGSN sẽ thực hiện các công việc sau: kiểm tra các thông tin đăng ký của MS, các tham số về chất lượng dịch vụ (cần thiết cho việc tính cước), tìm ra GGSN tương ứng với tên điểm truy cập APN mà MS gửi đến, thiết lập đường hầm tới GGSN và gán cho nó một định danh TID (Tunnel IDentifier)

 Bước 4: GGSN sẽ liên hệ với mạng ngoài (như một mạng LAN công cộng) để yêu cầu địa chỉ IP

ISP

4

 Bước 5: Máy chủ của mạng ngoài sẽ gửi lại một địa chỉ IP và GGSN sẽ chuyển địa chỉ này đến MS theo đường hầm vừa được thiết lập

Sau năm bước đó, MS đã thiết lập được kết nối với mạng ngoài

Trạm MS có nhiệm vụ xác định điểm truy cập dịch vụ mạng và tên điểm truy cập APN của mạng số liệu mà nó cần phải kết nối đến APN là tên logic định danh của mạng số liệu đích SGSN sẽ đưa vào các định danh này để tìm

ra địa chỉ IP của một GGSN thích hợp (như một máy chủ DNS trên mạng đường trục GPRS) Một đường hầm, xác định duy nhất bởi số định danh TID,

sẽ được thiết lập giữa SGSN với GGSN vừa tìm được Đường hầm là một cơ chế mà trong đó các gói tin được truyền đi từ một điểm thực hiện việc đóng gói đến một điểm giải đóng gói Như vậy, SGSN và GGSN là hai điểm cuối của một đường hầm

Tại phía MS, mỗi kết nối (hay ngữ cảnh) được xác định duy nhất bởi số định danh điểm truy cập dịch vụ mạng NSAPI Trạm MS sẽ sử dụng số NSAPI thích hợp để truyền các gói tin tiếp theo đến cùng một mạng số liệu bên ngoài Ngược lại, SGSN và GGSN lại sử dụng số định danh TID để nhận dạng đường hầm đến từng MS

 

TE MT

Hình H.13: Trạm MS với hai kết nối tới hai mạng PDN1 và PDN2

TID-1 SGSN

Hình H.13 cho một ví dụ trong đó một trạm MS với hai kết nối tới hai mạng khác nhau, PDN-1 và PDN-2 Trạm MS sử dụng số định danh NSAPI-

1 để trao đổi dữ liệu với PDN-1 và đường hầm tương ứng có định danh là TID-1; tương tự như vậy, NSAPI-2 được MS sử dụng để kết nối tới PDN-2 SGSN và GGSN của kết nối này sử dụng đường hầm với định danh TID-2 để vận chuyển dữ liệu giữa MS và PDN-2

Khác với các kết nối quay số qua mạng chuyển mạch kênh, trong GPRS, một trạm MS có thể kết nối đồng thời với nhiều mạng khác nhau Nghĩa là một MS có thể có một hay nhiều địa chỉ IP khác nhau cho mỗi kết nối đó Điều này tuỳ thuộc vào chính sách của nhà khai thác mạng cũng như khả năng của thiết bị MS

Ví dụ, một nhà khai thác mạng có thể lựa chọn cách gán địa chỉ IP mỗi khi kích hoạt giao thức số liệu gói Khi đó, các kết nối sẽ có địa chỉ không giống nhau Ngoài ra, trường hợp MS di chuyển đến một PLMN khác, nó sẽ được cấp địa chỉ IP động

o Chất lượng dịch vụ mạng (QoS-Quality of Service)

Khách hàng có thể lựa chọn nhiều chất lượng dịch vụ khác nhau tuỳ thuộc vào khả năng tài chính của mình Thông thường thì chất lượng dịch vụ càng cao thì mức cước mà khách hàng phải trả càng lớn Khi có yêu cầu dịch vụ, mạng sẽ tiến hành trao đổi các thông tin nhằm đặt trước một mức chất lượng dịch vụ thoả hiệp Chất lượng dịch vụ thoả hiệp phụ thuộc vào nhiều yếu tố: khả năng hiện tại của mạng, chất lượng dịch vụ thuê bao đăng ký, loại dịch vụ

mà thuê bao yêu cầu…

Để đáp ứng được các mức độ chất lượng dịch vụ khác nhau cho mỗi phiên làm việc, hệ thống GPRS cho phép xác định chất lượng dịch vụ dựa trên các tham số nhu: độ ưu tiên (cao, trung bình, thấp), độ tin cậy (mức 1, mức 2, mức 3), độ trễ (4 lớp trễ), và thông lượng (bao gồm tốc độ bít lớn nhất của lưu lượng truyền và tốc độ trung bình)

o Sửa đổi giao thức số liệu gói

SGSN có thể gửi các yêu cầu đến bộ đăng ký định vị thường trú để thay đổi các tham số đã được thiết lập trong quá trình kích hoạt giao thức số liệu gói Những tham số có thể thay đổi được bao gồm:

 Chất lượng dịch vụ

 Độ ưu tiên trong truy cập vô tuyến: Khi đăng ký định vị thường trú đã thay đổi tham số trên, SGSN có thể báo cho MS biết các thay đổi đó bằng một trong những cách sau:

 Gửi một bản tin về sự thay đổi các tham số tới MS

 Gửi một bản tin về thay đổi tham số tới hệ thống báo hiệu quản

lý MS để thuê bao biết

 Huỷ bỏ giao thức số liệu gói: Tại thời điểm thuê bao huỷ bỏ kết nối với

hệ thống GPRS, tất cả các kết nối mà thuê bao thiết lập trước đó sẽ được hủy bỏ Việc huỷ bỏ giao thức số liệu gói có thể bắt đầu từ một trong các thiết bị sau: MS, SGSN hay GGSN

6.2 Định tuyến gói tin trong GPRS

Sau khi MS liên kết với hệ thống GPRS và thực hiện thủ tục kích hoạt giao thức số liệu gói để kết nối tới một mạng số liệu bên ngoài, nó có thể trao đổi dữ liệu với mạng đó Dữ liệu được đóng gói và được truyền giữa MS và mạng ngoài một cách thông suốt qua thực hiện GPRS Để thực hiện được điều này, hai giao thức được sử dụng trong hệ thống GPRS là: giao thức hội

tụ phụ thuộc mạng con SNDCP và giao thức đường hầm GTP Giao thức SNDCP cung cấp các cơ chế nén và phân mảnh dữ liệu thành nhiều gói tin nhỏ hơn, bảo đảm việc truyền tải dữ liệu giữa MS và SGSN; còn GTP thực hiện truyền tải các gói dữ liệu giữa các nút SGSN và GGSN

Với mỗi kết nối, việc truyền tải dữ liệu có thể xuất phát từ MS hoặc được gửi đến MS Việc kích hoạt giao thức số liệu gói có thể được khởi tạo bởi MS hoặc được yêu cầu bởi mạng

Các gói dữ liệu trên xuất phát từ MS được SGSN chuyển tới GGSN thông

chuyển các gói dữ liệu này tới mạng ngoài Với gói dữ liệu được gửi tới MS, khi GGSN nhận được, nó sẽ xác định SGSN nào đang phục vụ MS rồi chuyển dữ liệu đến SGSN gửi dữ liệu tới ô hiện thời MS đang cư trú Khi

MS đang ở chế độ dự phòng, nếu nhận được bản tin tìm gọi trong vùng định tuyến, MS trả lời cho bản tin tìm gọi này và đồng thời chuyển sang chế độ sẵn sàng để nhận gói dữ liệu gửi tới

6.3 Định tuyến gói tin khi trạm MS đang di chuyển

Do di động, có thể GPRS phải đưa ra một cơ chế cho phép tiếp tục chuyển các gói tin tới MS khi MS đang từ khu vực SGSN này sang khu vực SGSN khác Để thực hiện được điều này, người ta sử dụng một bộ đệm, được điều khiển bởi một bộ định thời đặt tại SGSN trước

Nguyên lý hoạt động như sau: Ngay khi SGSN, mà MS đã kết nối trước

đó, trả lời SGSN mới các thông tin về ngữ cảnh của MS (bao gồm ngữ cảnh quản lý MS và các ngữ cảnh của giao thức số liệu gói), nó đồng thời khởi động bộ định thời bắt đầu chuyển các gói dữ liệu trong bộ đệm (được gửi từ SGSN) tới SGSN mới Quá trình truyền cho tới khi dữ liệu đã truyền hết hoặc

bộ định thời đã đếm xong SGSN mới sẽ tiếp nhận và chuyển các gói dữ liệu này vào bộ đệm của nó cho đến khi thủ tục cập nhật RA giữa các SGSN được hoàn thành Sau đó, SGSN mới sẽ chuyển gói dữ liệu này đến MS

Khi MS chuyển đến một vùng PLMN mới, nó vẫn có thể truy cập các dịch

vụ GPRS, thực hiện chức năng quản lý MS, kích hoạt giao thức số liệu gói, gửi và nhận các gói dữ liệu dưới các điều kiện sau:

 Có thoả thuận về chuyển vùng giữa hai nhà khai thác mạng

 Thuê bao có đăng ký dịch vụ chuyển vùng quốc tế

 Có một cổng biên ngoài (BG - Border Gateway) giữa mạng gốc và mạng khách để bảo đảm việc truyền tải các báo hiệu và dữ liệu giữa các PLMN khác nhau

  

TE MT

Mobile Stations

Hình 14: Định tuyến gói tin cho MS trên mạng gốc

6.4 Xử lý lưu lượng tại các nút GSN

Trong hệ thống GPRS, người ta phân biệt ra hai gói tin: lưu lượng dữ liệu của người dùng (tải tin); lưu lượng báo hiệu (các thông tin điều khiển luồng, quản lý MS…) Nhờ có phân chia như vậy mà có sự thay đổi hay nâng cấp về phần mềm cũng như các sự cố liên quan đến phần cứng của một trong hai phần thì phần kia vẫn có khả năng làm việc bình thường Ngoài ra, nhờ có việc phân chia như trên, ta có thể phân các bộ xử lý gói tin thành hai loại: bộ

xử lý lưu lượng người dùng và bộ xử lý lưu lượng báo hiệu, và từ đó xây dựng phần cứng và phần mềm riêng, tối ưu cho từng loại

Lưu lượng tải truyền qua mạng GPRS được đóng gói theo giao thức GTP Các gói tin GTP có thể mang các gói tin IP hay X.25, và sử dụng giao thức UPD/TCP làm giao thức truyền tải Cả tải tin và báo hiệu đều được truyền trên cùng một cổng Trong gói tin GTP có trường kiểu “thông báo” cho phép phân biệt đây là gói tin chứa dữ liệu người dùng hay báo hiệu Ngoài ra, nếu

SGSN và GGSN được kết nối với nhau bằng nhiều liên kết vật lý chúng có thể thực hiện phân tải đều trên các tuyến này

o Xử lý tải tại SGSN:

Sau khi thủ tục kích hoạt giao thức số liệu gói được thực hiện, một tuyến logic giữa MS và SGSN được thiết lập SGSN tiến hành thương lượng các tham số QoS với MS MS chuyển sang trạng thái sẵn sàng và có thể bắt đầu quá trình trao đổi dữ liệu

Trong một khoảng thời gian xác định, tất cả các gói tin có độ trễ QoS lớp

1 được truyền đi trước các gói tin có độ trễ lớp 2; cũng tương tự như vậy, các gói tin có độ trễ lớp 2 truyền trước gói tin có độ trễ lớp 3… Các lưu lượng đi

và đến MS với cùng một lớp trễ sẽ được xếp hàng, nghĩa là sẽ được truyền đi theo nguyên tắc gói: gói nào đến trước sẽ được truyền đi trước

Trong trường hợp SGSN quá tải có thể thông báo bằng một tín hiệu cảnh báo và loại bỏ các gói tin có mức ưu tiên thấp Ngoài ra, khi một gói tin nằm trong bộ đệm quá thời gian qui định, nó cũng sẽ bị loại Điều này thường xảy

ra đối với các gói tin có mức độ ưu tiên thấp, nghĩa là có thể nó đến trước nhưng vẫn loại bỏ để nhường chỗ cho gói tin đến sau nhưng có mức ưu tiên cao hơn

o Xử lý tải tại GGSN:

Khi hoàn thành thủ tục kích hoạt giao thức số liệu gói, GGSN thực hiện phân phối các gói tin đến đúng SGSN hay mạng số liệu gói bên ngoài Đây cũng chính là chức năng của một bộ định tuyến trong các mạg IP thông thường

7 KẾT NỐI GIỮA CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠNG VÀ KẾT NỐi GPRS VỚi MẠNG IP

Ở đây sẽ trình bày việc kết nối giữa nút hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói GSN với các phần tử trong mạng